白鶴灘水電站左岸地下廠房百萬千瓦機(jī)組蝸殼外包混凝土施工技術(shù)

李 洪 偉，薛 本 垚，唐 毓 才

(中國水利水電第七工程局有限公司,四川 成都 610213)

1 概 述

白鶴灘水電站位于川滇交界的金沙江上，上接烏東德水電站，下鄰溪洛渡水電站。左、右岸地下廠房各布置8臺、單機(jī)容量為100萬kW的水輪發(fā)電機(jī)組。左岸地下廠房長438 m,寬34 m(巖錨梁以下31 m),高88.7 m,從南到北依次布置有副廠房、輔助安裝間、1#～8#機(jī)組及安裝場。

白鶴灘水電站左岸地下廠房單機(jī)組蝸殼分為34節(jié)，采用鋼支墩、拉緊器拉錨的方式固定。蝸殼層混凝土施工高程為564.9～576.15 m，總高度為11.25 m(圖1)。蝸殼外包混凝土為C9030W10F100。主要輸料通道為下游側(cè)母線洞、進(jìn)廠交通洞南側(cè)支洞及上游側(cè)引水下平洞。入倉方式為立柱式布料機(jī)及混凝土泵機(jī)。

圖1 蝸殼外包混凝土示意圖

左岸地下廠房采用墊層蝸殼結(jié)構(gòu)，在蝸殼上部外表面一定范圍鋪設(shè)聚氨脂軟木柔性墊層。蝸殼外側(cè)布置了三層外包鋼筋，隨蝸殼結(jié)構(gòu)漸變施工凈空尺寸較小。機(jī)電管路布置集中，座環(huán)與蝸殼連接處的陰角區(qū)域空間狹窄。

2 施工過程中的技術(shù)難點及重點

蝸殼作為地下廠房的關(guān)鍵和核心，是確保其外包混凝土施工質(zhì)量的重中之重。白鶴灘水電站地下廠房因其單機(jī)容量大致使其蝸殼體型巨大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、埋管埋件眾多，加之座環(huán)、蝸殼間形成的陰角部位空間狹小，施工難度較大。為確保蝸殼混凝土優(yōu)質(zhì)、高效地澆筑完成，需要解決以下幾方面的混凝土施工技術(shù)難題:

(1)蝸殼外包混凝土施工凈空尺寸較小，蝸殼底部距離混凝土面的最小間隙為0.85 m，且蝸殼內(nèi)側(cè)外包鋼筋層數(shù)多達(dá)三層、鋼筋直徑大并隨蝸殼結(jié)構(gòu)漸變，鋼筋的制作、安裝為一大難點。

(2)座環(huán)與蝸殼陰角部位體型復(fù)雜、空間狹窄、鋼筋密集、埋管眾多，混凝土入倉振搗困難。如何確保陰角部位以及蝸殼底部混凝土澆筑密實是施工的難點，也是蝸殼混凝土澆筑施工的關(guān)鍵。

(3)混凝土澆筑期間，如何防止座環(huán)、蝸殼在混凝土澆筑過程中發(fā)生抬動、位移是施工的難點，做好澆筑過程控制及抬動、位移監(jiān)測是其關(guān)鍵。

(4)做好蝸殼層混凝土的溫控措施是關(guān)鍵，特別是陰角部位、蝸殼底部需采用高流態(tài)、一級配或自密實混凝土，膠凝材料摻量大，絕熱溫升高，溫控難度大。

3 蝸殼外包混凝土施工技術(shù)

白鶴灘水電站左岸地下廠房蝸殼層混凝土在基礎(chǔ)環(huán)、座環(huán)、蝸殼安裝完成并進(jìn)行蝸殼焊接探傷、外部防腐、內(nèi)外支撐焊接檢查后進(jìn)行混凝土澆筑施工?；炷潦┕こ绦驗椋航鸾Y(jié)安裝交面→縫面處理→鋼筋施工、驗收→預(yù)埋管路及預(yù)埋件施工→模板施工→混凝土澆筑→通水冷卻、養(yǎng)護(hù)。在蝸殼施工程序中，鋼筋制安、混凝土澆筑、抬動位移監(jiān)測、溫控防裂四大工序是施工的關(guān)鍵。

3.1 鋼筋制作及安裝施工技術(shù)

白鶴灘水電站左岸地下廠房蝸殼內(nèi)側(cè)設(shè)2層鋼筋網(wǎng)，部分蝸殼節(jié)布置有第3層鋼筋網(wǎng)。第1、2層鋼筋網(wǎng)環(huán)向(豎向)主筋為Φ36螺紋鋼，順?biāo)飨蚍植冀顬棣?2螺紋鋼,第3層鋼筋網(wǎng)環(huán)向(豎向)主筋為Φ32螺紋鋼，順流向分布筋為Φ28螺紋鋼。蝸殼層結(jié)構(gòu)外側(cè)鋼筋以Φ32(豎向)、Φ28(水平)鋼筋為主。

蝸殼內(nèi)側(cè)的鋼筋隨蝸殼結(jié)構(gòu)漸變而漸變，順流向和垂直流向的鋼筋布置間距為20 cm(最小間距13.3 cm，最大間距27.5 cm)。蝸殼鋼筋下料前需繪制鋼筋料表，明確每一根鋼筋的型號及尺寸，漸變鋼筋每3～5根為一組統(tǒng)一編號加工，以料表規(guī)格、型號選取原材料加工制作，成品及半成品需經(jīng)質(zhì)檢員及時檢查驗收，合格品轉(zhuǎn)入成品區(qū)分類堆放與標(biāo)識。將加工好的同一型號的鋼筋綁扎成捆，統(tǒng)一掛牌。根據(jù)鋼筋種類及安裝的先后順序堆放與運輸。

鋼筋安裝按從里到外、從低到高的原則進(jìn)行。首先安裝蝸殼底部的鋼筋，一次安裝至腰線附近，待彈性墊層施工完成后再進(jìn)行上半部的鋼筋安裝。每層先安裝環(huán)向鋼筋，后安裝徑向分布筋。

鋼筋安裝前應(yīng)測量放樣以確定架立定位筋的位置，架立定位筋不得與蝸殼焊接，蝸殼腰線以下的鋼筋外側(cè)采用Φ36螺紋鋼支撐，內(nèi)側(cè)采用Φ28螺紋鋼支撐。順?biāo)鞣较蛎?.5 m設(shè)置一個斷面，每個斷面布置3～5個支撐。鋼筋支撐底部鉆孔(深度20 cm)注漿固定。對蝸殼腰線以上跨度較大處采取在蝸殼與內(nèi)層鋼筋之間設(shè)置支撐鋼筋的方式，支撐鋼筋與墊層接觸處采用100 mm×100 mm×5 mm的鐵墊片或采用與蝸殼混凝土同標(biāo)號的混凝土預(yù)制墊塊將架立筋與蝸殼隔開。

鋼筋接頭主要采用直螺紋套筒連接。環(huán)向封閉鋼筋的最后一個接頭因存在加工誤差及累計誤差而采用幫條焊焊接。

3.2 混凝土施工技術(shù)

(1)施工分層與分倉。白鶴灘水電站左岸地下廠房蝸殼層總高度為11.25 m?？紤]到技術(shù)供水泵房、蝸殼進(jìn)人廊道、蝸殼結(jié)構(gòu)布置等因素，共分為4層澆筑，分別為蝸Ⅰ層～蝸Ⅳ層[1]。

為防止蝸殼受混凝土澆筑中的上浮力抬動影響，在蝸殼外側(cè)間隔焊接拉錨，該拉錨需在第一層混凝土澆筑完成、第二層澆筑前割除，并對焊接部位進(jìn)行打磨與探傷。

蝸殼第一層的分層高度應(yīng)重點考慮以下因素：分層高度應(yīng)確保陰角部位澆筑密實；分層高度應(yīng)低于外側(cè)拉錨高度，以便于拉錨的割除打磨；分層的內(nèi)外高差不宜大于60 cm，以防止混凝土高差過大產(chǎn)生側(cè)向力而導(dǎo)致蝸殼發(fā)生偏移。

基于以上因素并結(jié)合蝸殼層的其他結(jié)構(gòu)布置，蝸殼層混凝土第一層的分層高度為3.5 m，其中蝸殼編號23～30段受蝸殼與座環(huán)間陰角部位高度的限制，澆筑高度為4.05 m。第一層分為4個象限進(jìn)行澆筑，南側(cè)、上游為第Ⅰ象限，其它象限按照逆時針方向依次為Ⅱ～Ⅳ象限[2]。

蝸Ⅱ?qū)禹敻叱虨?70.85 m；蝸Ⅲ層因蝸殼直徑為漸變結(jié)構(gòu)，受蝸殼頂高以上覆蓋混凝土不宜超過1.5 m的限制(防止?jié)仓穸冗^大導(dǎo)致其壓力影響蝸殼形體)，蝸Ⅲ層分為兩個臺階澆筑，蝸殼南側(cè)的澆筑高程為574.5 m，北側(cè)澆筑至高程573.9 m；蝸Ⅳ層頂高程為576.15 m(圖2)。

圖2 廠房蝸殼混凝土施工分層示意圖

(2)澆筑方式及布置。蝸殼鋼襯底部內(nèi)側(cè)及陰角部位采用泵機(jī)送料，泵機(jī)布置在引水下平段內(nèi)，直接對蝸殼底部進(jìn)行供料。

蝸殼層大體積混凝土主要采用立柱布料機(jī)送料，布料機(jī)布置在機(jī)組之間，其中對于南、北兩端的1#、8#機(jī)組布料機(jī)覆蓋不到的區(qū)域以及其他機(jī)組布料機(jī)覆蓋不到的區(qū)域采用溜管、溜槽輔助入倉[3]。采用橋機(jī)掛吊罐的方式作為臨時備用輔助澆筑手段。

蝸殼層混凝土第Ⅰ層分四個象限對稱澆筑，澆筑順序為Ⅳ象限→Ⅱ象限→Ⅲ象限→Ⅰ象限。蝸Ⅱ?qū)印仮魧右淮涡詽仓尚汀?/p>

(3)蝸Ⅰ層混凝土澆筑。

①蝸Ⅰ層混凝土。先澆塊混凝土澆筑。蝸殼層混凝土先澆塊為第Ⅳ象限，澆筑手段為2臺泵機(jī)+布料機(jī)。布料機(jī)用于蝸殼外側(cè)澆筑。泵機(jī)一用一備，主要用于蝸殼內(nèi)側(cè)混凝土的澆筑，布置在引水下平段或相鄰機(jī)組，泵送自密實或一級配混凝土。蝸殼座環(huán)陰角部位布置有3根高泵管、2根低泵管(圖3)。

第Ⅳ象限從蝸殼半徑較大側(cè)開倉澆筑，采取內(nèi)高外低擠澆法，外側(cè)采用布料機(jī)入倉，坯層厚度為30 cm，先澆筑蝸殼底部范圍，再向外輻射，振搗人員同時平倉振搗，蝸殼底部澆筑寬度超過3 m后，開始澆筑內(nèi)側(cè)混凝土，內(nèi)側(cè)采用泵機(jī)澆筑，坯層厚度30 cm，先啟用低泵管澆筑一級配混凝土，內(nèi)側(cè)澆筑速度不能超過外側(cè)。待澆筑到蝸殼底部人員難以振搗時，啟用高泵管澆筑自密實混凝土并降低外側(cè)澆筑速度，使內(nèi)側(cè)澆筑速度略快于外側(cè)，以便于內(nèi)側(cè)自密實混凝土將蝸殼底部填滿，但內(nèi)外側(cè)高差不宜超過60 cm，防止混凝土側(cè)壓力影響蝸殼形體。陰角部位澆筑自密實混凝土?xí)r，在蝸殼基礎(chǔ)環(huán)板上布置有振搗孔，待混凝土料澆滿溢出后及時進(jìn)行清理并用沙袋或木塞封堵孔口。高泵管澆筑過程中，需密切注意觀察基礎(chǔ)板上各窗口、孔洞等的冒漿情況，一旦發(fā)現(xiàn)，對冒漿相應(yīng)的泵管立即停止泵送混凝土，待最高層振搗孔全部冒漿并堵壓后，采用麥斯特注漿機(jī)利用注漿管往陰角頂部預(yù)埋的注漿花管灌漿(圖4)，直至頂部通氣孔冒漿后停止，確保陰角部位澆筑飽滿、密實。

圖3 蝸殼陰角部位高低泵管布置示意圖

圖4 廠房蝸殼下部內(nèi)高外低擠澆法示意圖

注意：a.在澆筑過程中，注漿壓力均按不大于0.2 MPa控制，以確保將泵送混凝土過程中的抬動變形值控制在機(jī)組廠家允許的范圍內(nèi)；b.重點監(jiān)控蝸殼內(nèi)側(cè)的混凝土澆筑，同時，蝸殼外側(cè)混凝土澆筑亦需滿足澆筑要求，有序進(jìn)行平倉，合理下料，及時進(jìn)行接頭覆蓋；c.蝸殼內(nèi)、外側(cè)混凝土的垂直上升速度均要求不大于0.3 m/h。在蝸殼鋼支撐或蝸殼本體上標(biāo)識坯層線，以便于控制坯層厚度及澆筑速度。

②后澆塊混凝土澆筑。第Ⅳ象限澆筑完成后，依次進(jìn)行后澆塊第Ⅱ象限、第Ⅲ象限和第Ⅰ象限的混凝土澆筑。澆筑手段為2臺泵機(jī)+2臺布料機(jī)，澆筑方法與先澆塊基本相同。

③1#、8#機(jī)組布料機(jī)覆蓋不到的部位。對于1#機(jī)組南側(cè)和8#機(jī)組北側(cè)布料機(jī)覆蓋不到的部位其蝸殼內(nèi)側(cè)澆筑方法不變，1#機(jī)組外側(cè)采用布置在進(jìn)廠交通洞南側(cè)支洞的溜管溜槽系統(tǒng)進(jìn)行澆筑，8#機(jī)組外側(cè)采用布置在主廠房安裝間的溜管溜槽系統(tǒng)進(jìn)行澆筑。

(4)蝸Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ層混凝土澆筑。蝸Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ層混凝土采用2臺立柱式布料機(jī)入倉(1#、8#機(jī)組采用1臺立柱式布料機(jī)、1套溜管溜槽系統(tǒng)入倉)、平鋪法澆筑，坯層厚度為30 cm。

(5)振搗工藝。自密實混凝土不需要振搗，泵送混凝土振搗采用Φ100、Φ70振搗棒進(jìn)行振搗。振搗時要避開金結(jié)埋件并與側(cè)模保持5～10 cm的距離，按一定的順序和間距逐點振搗，其間距為振搗棒作用半徑的一半，振動棒要快插慢抽并插入下層混凝土面5 cm，待振搗至其表面停止明顯下沉、周圍無氣泡冒出、泛漿為止。

3.3 溫控措施

白鶴灘水電站蝸殼外包混凝土強(qiáng)度等級為C9030W10F100。根據(jù)設(shè)計要求,混凝土的入倉溫度為4～9月不高于20 ℃、10月～次年3月不高于18 ℃、12月和1月自然入倉。混凝土的允許設(shè)計最高溫度為4～9月不高于45 ℃，10月～次年3月不高于41 ℃[4]。為滿足溫控要求,混凝土澆筑過程中應(yīng)采取嚴(yán)格的溫度控制措施以降低混凝土的入倉溫度和混凝土水化熱的溫升。

為滿足蝸殼混凝土高標(biāo)準(zhǔn)的溫控要求，蝸殼層混凝土采用水化熱低的硅酸鹽水泥并優(yōu)化其混凝土配比。為降低混凝土的澆筑溫度，主要采取冷水預(yù)冷骨料的方式降低料倉骨料的溫度；混凝土攪拌時，采用加冰措施降溫，并適當(dāng)延長拌和時間；混凝土運輸過程中在攪拌罐上加帆布覆蓋隔熱并對帆布噴水保濕保溫，避免運輸過程中溫度升高。對于混凝土骨料，一定要做好溝通協(xié)調(diào)，防止混凝土料不能及時入倉，在罐車中的時間過長而不滿足入倉溫度要求。

蝸殼混凝土每層澆筑時，在倉內(nèi)布置1～2層冷卻水管，冷卻水管布置間距為1 m，材料采用塑料冷卻水管，冷卻水管采用Φ25鋼筋和Φ16鋼筋進(jìn)行預(yù)埋加固。冷卻水管的布置可根據(jù)現(xiàn)場需要進(jìn)行調(diào)整，在采用一級配、自密實混凝土澆筑的部位適當(dāng)加密布置。

混凝土收倉8～12 h后進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，主要采取在混凝土面上鋪設(shè)1～2層土工布覆蓋的方式，對土工布灑水養(yǎng)護(hù)，土工布具有較好的保濕效果，可使混凝土表面經(jīng)常保持濕潤狀態(tài)。

3.4 抬動監(jiān)測

蝸殼外包混凝土澆筑前，在座環(huán)上平面架設(shè)垂直百分表和水平百分表用以監(jiān)測混凝土澆筑過程中的變形及位移量，并根據(jù)監(jiān)測情況調(diào)整混凝土的澆筑順序[5]。

抬動監(jiān)測主要監(jiān)控座環(huán)、蝸殼在第一層混凝土澆筑及接觸灌漿過程中的位移情況，確?；炷翝仓盎靥钸^程中座環(huán)和蝸殼處于質(zhì)量受控狀態(tài)。

(1)監(jiān)測位置和支架形式。座環(huán)監(jiān)測點是在座環(huán)底環(huán)基礎(chǔ)板的+Y 、+X、-Y、-X方向旋轉(zhuǎn)45°布置4個測量位置，各布置了1個徑向測點和高程測點(共8個測點)。測點支架采用槽鋼加工制作，與蝸殼、座環(huán)獨立，下部與錐管內(nèi)支撐連接。座環(huán)監(jiān)測點位置見圖5。

圖5 廠房開挖分層初步設(shè)計方案示意圖

蝸殼監(jiān)測點的布置。在蝸殼頂部均布14個監(jiān)測點，采用全站儀進(jìn)行監(jiān)測。在地面做一個基準(zhǔn)校正點用于儀器校正，防止儀器移動或因氣溫等因素造成的零點漂移。

(2)監(jiān)測要求。根據(jù)設(shè)計要求，座環(huán)的抬動和變形應(yīng)≤0.25 mm，蝸殼的抬動應(yīng)≤2.5 mm。相應(yīng)抬動監(jiān)測要求如下：

①座環(huán)的抬動和變形應(yīng)≤0.25 mm，當(dāng)座環(huán)上抬0.1 mm時，向現(xiàn)場監(jiān)理及相關(guān)人員提示；當(dāng)座環(huán)上抬0.2 mm時，向現(xiàn)場監(jiān)理及相關(guān)人員報警，暫停座環(huán)混凝土澆筑。座環(huán)上抬≤0.1 mm時，每30 min監(jiān)測一次；座環(huán)上抬>0.2 mm時，每10 min監(jiān)測一次或根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)理指令加密監(jiān)測次數(shù)，同時降低混凝土的澆筑速度。

②澆筑過程中，每天用水準(zhǔn)儀對上環(huán)板水平進(jìn)行測量并記錄一次。

③澆筑(灌漿)時蝸殼偏移不超過2.5 mm。當(dāng)蝸殼偏移超過1.5 mm時，向現(xiàn)場監(jiān)理及相關(guān)人員提示；當(dāng)蝸殼偏移超過2 mm時，向現(xiàn)場監(jiān)理及相關(guān)人員報警，暫停混凝土澆筑。正常情況下，每30 min監(jiān)測一次，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)理指令加密監(jiān)測次數(shù)，同時降低混凝土的澆筑速度。

蝸殼采用全站儀進(jìn)行測量易出現(xiàn)零點漂移現(xiàn)象，當(dāng)測量結(jié)果出現(xiàn)異常時，應(yīng)及時與基準(zhǔn)校正點進(jìn)行核對，并采用座環(huán)百分表測量結(jié)果進(jìn)行驗證，避免出現(xiàn)偶然誤差而導(dǎo)致出現(xiàn)誤判。

④座環(huán)、蝸殼第一層混凝土澆筑或底部灌漿監(jiān)測過程中，監(jiān)測人員應(yīng)輪班作業(yè)，作好交接班工作，確保監(jiān)測工作的連續(xù)性。

⑤在監(jiān)測部位現(xiàn)場布置照明燈，禁止無關(guān)人員在監(jiān)測部位附近活動，要防止百分表的碰撞、損壞和丟失。

⑥在布置百分表的支架上焊接螺母，澆筑前(灌漿前)采用塞尺測出螺母平面到底環(huán)基礎(chǔ)板表面之間的間隙并用石筆寫在角鋼上，同時亦寫在記錄中，防止百分表被碰時有應(yīng)急監(jiān)測措施。

⑦澆筑過程中，通過測量數(shù)據(jù)分析座環(huán)形位尺寸的變化規(guī)律，測量成果必須如實記錄，根據(jù)記錄分析座環(huán)和蝸殼位移是否正常。

⑧所有測量點和基準(zhǔn)點都必須用油漆作出可靠的標(biāo)識。

⑨所使用的測量儀器、量具都要經(jīng)過校驗合格后方可投入使用。

3.5 特殊情況的處理

(1)泵送混凝土堵管。對于蝸殼鋼襯底部內(nèi)側(cè)及陰角部位采用泵機(jī)澆筑。澆筑過程中，由于塌落度不穩(wěn)定、粗骨料過多、泵管接頭滲漏或操作不當(dāng)可能會引起泵管堵管，應(yīng)采取有效的措施避免或減少泵管堵管的影響。

①澆筑時配置足夠的澆筑人員，在主泵管堵管時及時進(jìn)行更換和疏通。

②在蝸殼座環(huán)陰角部位增加支管數(shù)量并保證混凝土供料。該方案布置了3根高泵管，2根低泵管。

③當(dāng)蝸殼座環(huán)陰角部位的所有支管堵管時，采取在蝸殼座環(huán)陰角部位最高層布置的振搗孔內(nèi)布置受料斗，采用橋機(jī)+吊罐供料。

(2)立柱式布料機(jī)故障。蝸殼層混凝土主要采用布料機(jī)澆筑。由于機(jī)械本身磨損或操作不當(dāng)可能會引起立柱式布料機(jī)出現(xiàn)故障，應(yīng)采取有效措施避免或減少影響。

①配備專業(yè)的維修人員，立柱式布料機(jī)一旦發(fā)生機(jī)械故障，立即進(jìn)行搶修。

②在機(jī)械故障不能及時維修或不能短時間正常運轉(zhuǎn)的情況下，立即采用備用入倉手段入倉：a.采用160 t/50+25 t橋機(jī)掛6/3 m3吊罐作為備用輔助澆筑手段；b.在廠房上游側(cè)3條運輸通道位置布置溜管、溜槽系統(tǒng)作為備用輔助澆筑手段。

4 結(jié) 語

白鶴灘水電站蝸殼層外包混凝土結(jié)構(gòu)復(fù)雜、埋管埋件眾多、工期緊張、施工難度大、溫控要求高，在借鑒以往工程經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，施工局針對白鶴灘水電站左岸地下廠房蝸殼外包混凝土特性，通過對分層分區(qū)、入倉方式、鋼筋制安、混凝土級配等進(jìn)行優(yōu)化，采用低熱水泥對混凝土拌制、運輸?shù)确矫鎸嵤┯行У臏乜卮胧?，采取全過程變形監(jiān)測，圓滿地完成了蝸殼外包混凝土澆筑施工，并在施工中形成了一整套巨型地下廠房蝸殼層混凝土施工關(guān)鍵技術(shù)，其成功經(jīng)驗可為后續(xù)類似工程提供借鑒。